喷水推进三体船阻力与自航数值模拟研究

建立考虑纵倾角及重心升沉等姿态变化的喷水推进三体船阻力数值计算方法,并与船模拖曳阻力试验进行对比,再开展船模自航试验的数值模拟,分析数值计算与模型试验的误差。通过数值模拟可以进一步得到喷水推进器上各部件的受力情况、泵的流量、扬程及其他流场信息,为研究船体与喷水推进装置的相互作用影响规律以及喷水推进与高速三体船的总体匹配设计提供参考。     

实尺度喷水推进船拖泵工况数值模拟与分析

对于四泵推进的喷水推进船,在巡航工况时中间加速泵通常处于锁轴状态,其拖曳阻力的大小对喷水推进器的选型以及船泵机的最优匹配有着重要影响。然而,拖泵阻力很难通过船模试验的方法获得。为此,该研究在验证均匀和非均匀条件喷水推进器数值模型的准确性基础上,采用数值试验的方法对18节航速下某双泵推进喷水推进船的实尺度"船体+两台喷水推进器"系统带自由液面的流场进行了数值模拟,计算此时喷泵拖曳阻力及其所占船体阻力的百分比。以此喷泵拖曳阻力作为参考,对尺寸与上述喷水推进泵相近的某四泵推进喷水推进船的喷泵进行了选型和设计,并对该船在18节航速下加速泵拖曳阻力的大小进行了计算,进一步验证选型时拖曳阻力取值的合理性。为消除尺度效应的影响采用实尺度模型对"船体+四台喷水推进器"系统带自由液面的非定常流场进行计算,并探索了大尺度条件下船泵系统考虑自由液面和重力影响的非定常计算方法。     

局部气垫双体船试验方案设计

设计1套局部气垫双体船模型拖曳试验方案,用于静水阻力试验。试验方案包括船模的设计、垫升系统、气垫内压强测量系统、气垫波形摄像系统等部分。试验除测量船模的阻力、纵倾角、重心处升沉,还监测气垫内压强的分布以及波形。并根据船模内外吃水情况,计算出湿表面积,采用二因次法换算出实船的有效功率。     

潜伏式高速船型变航态自航数值模拟

针对一种具有半潜-水面航态变换功能的新型潜伏式高速船型,基于非稳态RANS方程组与VOF模型求解粘性流场,结合动态流域边界与滑移网格技术,对目标船在垂直面内三自由度运动及其喷水推进器叶轮随船定轴高速旋转的耦合运动进行数值模拟。结果表明：在相同主机平均转速条件下,所预报自航点体积傅氏数与自航模型试验结果的相对误差在7%以内;从半潜到水面的航态变换过程中,船体有显著的纵倾与升沉,船体主要克服压差阻力,船体兴波由相互叠加的首波、肩波、尾波逐渐发展为首尾分明的两个波系,在喷水推进器射流区内捕捉到生成和发展的高强度涡系。     

船舶运动状态下舵附推力鳍水动力性能分析

采用基于RANSE的数值波浪水池技术和数值拖曳水池技术,针对75 000 t船模型开展带有纵摇和横摇运动的自航CFD模拟研究。首先进行静水中的船模阻力和自航CFD模拟,通过与模型试验结果比较,初步验证了文中的CFD模拟方法 ;随后开展不同运动状态下是否带有舵附推力鳍的船模自航CFD模拟,并对该种状态下的船模阻力、运动响应以及船后螺旋桨的推力和扭矩等进行分析,获得相关变化特性。该项研究对于运动中船舶快速性研究和预报等,具有较好的指导意义和参考价值。     

新型小水线面穿浪双体船的阻力性能研究

为了研究某新船型的开发以及快速性问题,本文提出并介绍了一种新型小水线面穿浪杂交双体船的构型,首先对其开展了相关的模型拖曳试验,然后基于RANS方法、数值水池以及6-DOF运动模型的数值模拟方法对该船型的阻力性能进行数值计算,通过与试验结果的对比,验证了该数值模拟方法的可行性;同时对该船型在其他不同工况下的阻力性能也进行了数值计算,并对排水量和主尺度相似的WPC和SWATH也进行了数值计算,研究结果表明:对比不同工况下该船型的数值计算结果,发现正浮时的阻力、升沉以及纵倾角都要小于有初始纵倾角的值;在中低速时三种船型的无因次阻力、纵倾角以及无因次升沉差别很小,高速时该杂交双体船的无因次阻力、纵倾角以及无因次升沉都要小于WPC以及SWATH,从而说明了该船型在高速时具有优于同排水量和主尺度的WPC和SWATH的阻力性能。     

REGAL货船实尺度自航数值模拟

以REGAL货船为研究对象,利用CFD软件STAR-CCM+对其进行实尺度自航数值计算,求解分析船体和螺旋桨周围粘性流场,将船体阻力、螺旋桨推力与扭矩计算结果与劳氏船级社的海上试验测量结果进行比较,计算结果阻力最大误差为4.5％,推力和扭矩最大误差分别为8.6％与2.7％.研究结果表明,实尺度自航数值模拟在一定范围内具...     

船舶纵摇对内外桨水动力性能的影响分析

本文采用基于RANS方程的数值波浪水池和数值拖曳水池技术,针对四桨两舵船模,开展了带有纵摇运动的自航CFD模拟研究.首先开展了静水中的船模阻力和自航CFD模拟,并通过与模型试验结果的比较,初步验证了本文的CFD模拟方法;随后开展了不同运动周期的耦合运动响应的船模自航CFD模拟,对该种状态下船模的阻力、运动响应和船后螺旋桨的推力、扭矩等进行了分析,获得了有关变化特性.本文的研究工作,包括对于运动中舰船的快速性研究和预报等,具有一定的指导意义和参考价值.     

船舶喷水推进器推力分布研究

应用计算流体力学方法对一典型内置推力轴承混流式喷水推进器的流场进行了数值模拟,计算和分析了叶轮、导叶体、进水流道等主要水力部件的推力分布.计算结果显示:(1)在推进特性线上的设计工况,内置推力轴承上的推力约为喷水推进器净推力(合力)的1.5倍,泵静止部件上的推力约为净推力的-0.5倍,进水流道上的推力很小,可忽略不计;(2)各部件上的推力占净推力的比例在推进特性线上的其它工况基本维持不变;(3)在非推进特性线上的工况,各部件上的推力分布不同于推进特性线上的工况,来流速度与泵转速的比值越高时泵静止部件上向后的推力越大,进水流道上的推力不再是可忽略的小量了.喷水推进器推力分布规律的研究结果可为喷水推进器和船尾结构的强度设计时加载水动力作用项提供参考.     

基于推力数值计算的喷水推进船快速性预报与验证

为实现对喷水推进船航速的快速、精准预报,基于ANSYS-CFX软件平台建立喷水推进器推力的计算流体力学(CFD)模型,采用分块六面体结构化网格离散计算域,采用稳态多参考系法求解雷诺时均的Navier-Stokes方程和SST湍流模型,对喷水推进器内的流场进行数值模拟.采用壁面积分法获取喷水推进器的等转速推力曲线,将其与船阻力曲线相叠加,通过求曲线的交点预报航速.选取可提供推进特性图谱的船A、带双级轴流式喷水推进器的船B和带混流式喷水推进器的船C为例,验证该方法的准确性.结果表明:船A配置的喷水推进器的推力计算值和航速预报值与厂商提供的数值吻合良好,船B和船C的航速预报结果均与实船试航值比较接近,最大偏差小于0.5 kn.结果验证了计算模型的可信性和适用性,进一步表明该方法可较好地指导喷水推进器厂商根据船舶所有人的需求便捷地选出合适型号的喷水推进器.     

L型吊舱式推进器直线运动和非设计工况下水动力性能的试验研究（英文）

Experimental tests were conducted to evaluate the hydrodynamic performance of an L-type podded propulsor in straight-ahead motion and off-design conditions using an open-water measuring instrument developed by the authors for podded propulsors, a ship model towing tank, and under water particle image velocimetry(PIV) measurement systems. Under the three types of conditions, the main parameters of an L-type podded propulsor were measured, including the propeller thrust and torque, as well as the thrust, side force, and moment of the whole pod unit. In addition, the flow field on the section between the propeller and the strut was analyzed. Experimental results demonstrate that the dynamic azimuthing rate and direction and the turning direction affect the forces on the propeller and the whole pod unit. Forces are asymmetrically distributed between the left and right azimuthing directions because of the effect of propeller rotation. The findings of this study provide a foundation for further research on L-type podded propulsors.     

Experimental study on hydrodynamics of L-type podded propulsor in straight-ahead motion and off-design conditions

Experimental tests were conducted to evaluate the hydrodynamic performance of an L-type podded propulsor in straight-ahead motion and off-design conditions using an open-water measuring instrument developed by the authors for podded propulsors, a ship model towing tank, and under water particle image velocimetry (PIV) measurement systems. Under the three types of conditions, the main parameters of an L-type podded propulsor were measured, including the propeller thrust and torque, as well as the thrust, side force, and moment of the whole pod unit. In addition, the flow field on the section between the propeller and the strut was analyzed. Experimental results demonstrate that the dynamic azimuthing rate and direction and the turning direction affect the forces on the propeller and the whole pod unit. Forces are asymmetrically distributed between the left and right azimuthing directions because of the effect of propeller rotation. The findings of this study provide a foundation for further research on L-type podded propulsors.     

喷水推进器进口流道水动力性能分析

[目的]研究喷水推进器进口流道主参数对其性能的影响,为喷水推进器设计提供依据.[方法]基于STAR-CCM+商业软件,通过定常雷诺平均NS方程(RANS),数值模拟分析不同进速比(IVR)工况下喷水推进器进口流道轴线高度和进流角度对其水动力性能的影响,并根据国际拖曳水池会议(ITTC)的不确定度分析规程进行数值不确定度...     

基于数值试验及实船试航的喷水推进器改型设计

采用基于雷诺时均法的SST湍流模型对"某轴流式喷水推进泵+进水流道+船体"系统进行数值计算,查找出了该喷水推进泵和进水流道设计存在的一些问题。依据该船体阻力、设计航速和主机功率等参数重新对该船喷水推进器进行选型,进而运用三元的方法对喷水推进泵进行设计,利用参数化设计的方法对流道进行设计。采用了数值试验的方法校核新设计的混流式喷水推进器流体动力性能,计算结果表明:新设计喷水推进泵和进水流道性能优异,并且能够较好地满足快速性指标。最后,对改进设计的喷水推进器进行了快速性预报和实船试航,试航结果表明新设计混流式喷水推进器推进航速超过设计航速9.4%,并且数值预报航速与试航结果误差为1.5%,这既验证了设计方法的有效性,也验证了所采用的数值模型的准确性。     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

泵喷水推进器分析与设计改进

通过CFD仿真技术获取了某快艇原载轴流式泵喷水推进器的性能,并通过经典计算发现原载轴流式喷水推进器的额定流量与快艇阻力特性不匹配,且其扬程远远低于期望值。新的泵喷水推进器主要从两个方面进行了改进：一是通过调整喷嘴出口口径使泵喷水推进器在最优效率点运行时正好符合快艇的阻力特性;二是提高泵喷水推进器的扬程使其满足能量平衡的需求。根据确定的参数设计了新的斜流式泵喷水推进器。通过CFD仿真表明斜流式泵喷水推进器达到了设计指标。试水试验表明配备新的泵喷水推进器后快艇达到了期望的要求。     

基于纵倾优化的油船节能研究

以成品油船的阻力性能为优化指标,根据船体型线图,采用CATIA及ICEM软件,建立三维模型及计算域,划分结构性网格;采用计算流体力学软件(Fluent)计算目标船在变纵倾状态和吃水下的阻力值,并与船模拖曳试验相比较,分析纵倾变化对船舶阻力性能的影响规律.结果表明:该方法可以确定船舶在不同吃水下的最优纵倾值,并为船舶的实际运营提供建议,从而提高船舶的节能减排率,为发展绿色船舶提供新方向.